DE1515249A1

DE1515249A1 - Device for processing materials by means of a charge carrier beam

Info

Publication number: DE1515249A1
Application number: DE19641515249
Authority: DE
Inventors: Niedzielski Robert Mitchel
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1963-11-26
Filing date: 1964-11-25
Publication date: 1969-09-18
Also published as: NL6413696A; SE322959B; FR1421648A; US3171943A; GB1058568A; BE656191A; CH436505A

Description

DIpI. Ing. F. Weiskmann, Dr. Ing. A. WeickmanDIpI. Ing.F. Weiskmann, Dr. Ing.A. Weickman

Di,'il. Ing.U.IV icxn^nn, Dip!. Phys. Cr.K.Fincke I O I b £ H J Di, 'il. Ing. U. IV icxn ^ nn, Dip !. Phys. Cr.K. Fincke IOI b £ HJ

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United Aircraft Corporation, 400 frain |Si aast Hartford, Connecticut, U.S.A.United Aircraft Corporation, 400 frain | Si aast Hartford, Connecticut, USA

in Js JDeT Pv-ηϊin Js JDeT Pv-ηϊ

Vorrichtung sura Bearbeiten von Materialien mittels eines LadungsträgerstrahlsDevice sura Processing of materials by means of a charge carrier beam

Priorität: Vereinigte Staaten von Amerika Patentanmeldung vom 2ό. November 1963, Serial ITo. 325,929Priority: United States of America patent application dated 2ό. November 1963, Serial ITo. 325,929

Die Erfindung bezieht sich auf die Bearbeitung von Materialien, mittels eines Ladungsträgerstrahles. Insbesondere betrifft die Erfindung die Durchführung von Arbeiten, wie Schv/eissen, Schneiden, Schmelzen, Verdampfen oder Verarbeiten irgendeines Materials mit einem Elektronenstrahl.The invention relates to the processing of materials by means of a charge carrier beam. In particular, the invention relates to the implementation of work such as welding, Cutting, melting, evaporating or processing any material with an electron beam.

Vorrichtungen, welche die kinetische Energie eines Elektronenstrahles zur Bearbeitung eines Materials ausnutzen, sind im Handel erhältlich. Diese Vorrichtungen sind allgemein als Elektronenstrahl-Maschinen bekannt.Die deutsche Patentschrift 1,087,295 von Carl Zeiss zeigt eine solche Maschhe. Diese Maschinen arbeiten durch die Erzeugung eines starkgebündelten Elektronenstrahles. Der Elektronenstrahl ist ein Werkzeug zum Schweissen, Schneiden und Bearbeiten,Devices that use the kinetic energy of an electron beam for processing a material are commercially available. These devices are commonly called Electron beam machines known. German patent specification 1,087,295 from Carl Zeiss shows such a machine. These machines work by generating a highly focused electron beam. The electron beam is a tool for welding, cutting and processing,

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welches praktisch keine Hasse, aber eine grosse kinetische Energie besitzt infolge des hohen Bewegungsmomentes, die den Elektronen erteilt wird» Die Übertragung dieser kinetischen Energie auf die Gitterelektronen des Werkstückes erzeugt höhere Gitterschwingungen, welche eine Erhöhung der Temperatur "im Auftreffbereich bewirkt, die r:ur Arbeitsvei richtung ausreicht. Zur Erzielung des tiefen Eindringens eines Elektronenstrahles in das Werkstück ist es gemäss der erwähnten Patentschrift von Carl Zieiss er for tie:.· lieh, dass die Temperatur des Werkstückes an dem Auftreffpunkt des Strahles so gross wird, dass wenigstens ein Teil des Materials verdampft, d.h. ein tiefes Eindringen kann nur durch eine wenigstens teilweise Verdampfung des Werkstückmaterials erreicht werden.which practically no hate, but a big kinetic one Due to the high moment of motion, energy possesses the the electrons are given »The transfer of this kinetic energy to the grid electrons of the workpiece generates higher lattice vibrations, which increases the temperature "in the impact area causes the r: ur Arbeitsvei direction is sufficient. To achieve deep penetration of an electron beam into the workpiece, it is according to of the mentioned patent specification by Carl Zieiss he for tie:. · lent that the temperature of the workpiece at the point of impact of the The beam becomes so large that at least part of the material evaporates, i.e. it can penetrate deeply only by at least partial evaporation of the workpiece material can be achieved.

Su den Vorteilen der Anwendung eines Elektronenstrahles o. dgl. gehört die trägheitslose Steuerung und die grosse Energiekonsentrierung. Bis kürzlich wurden diese \7orteile etv/a durch den Umstand aufgehoben, dass die Arbeitsverrichtungen mittels eines Elektronenstrahles in einer evakuierten Kammer durchgeführt werden mussten. Das Arbeiten unter Abwesenheit von Gas wurde aus verschiedenen Gründen als notwending angesehen. Erstens kann jedes Gas, welches den nu bearbeitenden Materialbereich umgibt, absorbiert v/erdenSu the advantages of using an electron beam, etc. The like includes the inertia-free control and the large energy concentration. Until recently, these were advantages etv / a canceled by the fact that the work is done by means of an electron beam in an evacuated Chamber had to be carried out. Working in the absence of gas was considered to be for several reasons considered necessary. First, any gas surrounding the area of material being processed can be absorbed

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und hierdurch sura Hervorrufjen von Verunreinigungen uncUnregelrnässigkeiten des Werkstückes führen. Ausserdem und schwerwiegender verursacht die Anwesenheit von Gas die Streuung und Ausweitung des Elektronenstrahles und verhindert hierdurch die genaue Bündelung und hohe Leistungsdichte oder Intensität, welche notwendig ist, um an einer 'bestimmten Stelle Arbeit zu verrichten ohne dass das benachbarte Material durch Wärmeleitung beeinflusst wird. Das durch diese Streuung aufgeworfene Problem wirdveiterhin durch die Wolke von verdampftem Material, das vom Werkstück ausgeht, erschwert. Einsu kommt, dass der Betrieb einer Slektronenquelle in einem Vakuum von weniger als IO "' Torr die Überschlags eigenschaften verbessert und die Lebensdauer des I-Ieisdrahtes erhöht.and thereby sura causing impurities and irregularities of the workpiece. In addition, and more serious the presence of gas causes the scattering and expansion of the electron beam and thereby prevents it the exact bundling and high power density or intensity, which is necessary in order to do work at a certain point without the neighboring material by conduction being affected. The problem raised by this scattering is further caused by the cloud of evaporated material, that emanates from the workpiece, makes it more difficult. One thing comes that the Operating a slectron source in a vacuum of less than IO "'Torr improves the flashover properties and the Lifespan of the ice wire increased.

•/ie vorher erwähnt, musste wegen der genannten Probleme, früher das bearbeiten von Material mit einem Ladungsträgerstrahl in einer evakuierten Bearbeitungskammer durchgeführt werden. Dies hat einen gan:2 erheblichen Nachteil dadurch 3ur Folge, dass die .-J-JiICS sungen c-.cn Stückes, welches'mit dem Strahl bearbeitet worden kann, durch CLc A?:;;ac3sungen der Kammer begrenzt sind. :.'"r kleinere '..'eile ist diese Beschränkung annehmbar, aber unangenehm, l-'ür bo.oom'Jors grosso Teile sind die Kosten für die /akuuukaramer t.i.vid <-io Tacreliör irren Pumpen so erheblich, dass der .orbeitsvorgarn/ in der ilegel \/irtschaftlich undurchführbar v/ir-rä.• / As mentioned earlier, because of the problems mentioned, the processing of material with a charge carrier beam had to be carried out in an evacuated processing chamber in the past. This has a gan: 2 significant disadvantage characterized 3UR result that the.-J-JiICS solutions c-.cn welches'mit piece, the beam may have been processed by CLc A? ;; ac3sungen the chamber are limited. :. '"r smaller' .. 'rush, this restriction is acceptable, but uncomfortable, l-'ür bo.oom'Jors grosso parts, the cost of the / akuuukaramer tivid <-io tacreliör err pumps are so significant that the. orarbeitsvorgarn / in the ilegel \ / economically impracticable v / ir-rä.

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Mit diesem Problem geht die Unannehmlichkeit des Zeitaufwandes zum Leerpumpen der Arbeitskammer nach jedem neu eingeführten Werkstuck in Hand.With this problem goes the inconvenience of the time it takes to empty the working chamber after each new one is introduced Work piece in hand.

Für den Fachmann wurde es klar ι dass in Fallen, bei denen Verunreinigung des Werkstückes kein äusserst kritisches Problem bedeutete/ Mittel gefunden werden müssten/ um den Elektronenstrahl aus dem evakuierten Behälter, in dem er erzeugt werden muss, zu bringen, um den vorerwähnten Problemen und Nachteilen gerecht zu werden. Hierzu sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen und in einzelnen Fallen angewandt worden. Jedoch haben diese bekannten Verfahren, mit einer einsigen Ausnahme, zu geringen Erfolgen geführt, weil sie stets eine ausserordentliche Streuung der Strahlen bei der verhältnismässig hohen Energiekonzentration zur Folge haben, die für das Bearbeiten von Materialien erforderlich ist. In den meisten der bekannten Anwendungsfällen, trifft der Strahl durch eine kleine Öffnung auf das Vierkstück. Vom Standpunkt der Wirtschaftlichkeit gesehen, muss die Strahlaustrittsöffnung klein sein, um das Entweichen von Gas in dem Stahler seugerbereich zu verringern und somit die Abmessungen und die entsprechenden Kosten für die notwendige Vakuumeinrichtung zu mindern. Ausserdem muss die Strahlaustrittsöffnung, zur Verminderung dessen Abschwächung oder zur Verringerung der Länge des Weges, welchen der Strahl durch die gasförmige AtmosphäreFor the person skilled in the art it became clear that in cases where contamination of the workpiece did not mean an extremely critical problem / means would have to be found / around the electron beam from the evacuated container in which it must be generated, in order to do justice to the aforementioned problems and disadvantages to become. Various methods have been proposed for this purpose and used in individual cases. However, these have known procedures, with a single exception, led to little success because they always have an extraordinary spread of rays at a relatively high concentration of energy which is necessary for the machining of materials. In most of the known use cases, the beam hits the square through a small opening. From the From an economic point of view, the jet exit opening must be small in order to prevent gas from escaping in the steeler to reduce seugerkbereich and thus the dimensions and the corresponding costs for the necessary vacuum device reduce. In addition, the jet exit opening must be used to reduce weakening it or reducing the length of the path the jet takes through the gaseous atmosphere

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zurücklegen muss,, verhältnismässig nahe am V7erkstück gelegen sein. Infolge der ausserordentlich hohen Leistungsdichte oder Intensität beim Schweissen, Schneiden, Schmelzen, Verdampfen oder Bearbeiten von irgendeinem Material mit einem Ladungsträgerstrahl, werden von der Auftreffstelle des Strahles auf dem Werkstück sowohl Dämpfe als auch Spritzer.ausgesandt. Diese Teilchen und Dämpfe neigen dazu sich anzusammeln, was schnell das Verstopfen der kleinen,angrenzend gelegenen Strahlaustrittsöffnung zur Folge hat.must travel, relatively close to the V7erkstück be. As a result of the extraordinarily high power density or Intensity when welding, cutting, melting, vaporizing or processing any material with a charge carrier beam, Both vapors and splashes are emitted from the point of impact of the jet on the workpiece. These particles and vapors tend to accumulate, which quickly clogs the small, adjacent jet exit has the consequence.

Die vorliegende Erfindung löst das obenbeschriebene Verstopfungsproblem, in dem sie ein neues Selbstreinigunssystem für die Strahlaustrittsöffnung be'schafft, welches bei jedem der bekannten Verfahren angewandt v/erden kann, um einen Ladungsträgerstrahl von einer niedrigen in eine höhere Druckzone weiterzuleitcn.The present invention solves the clogging problem described above by providing a new self-cleaning system for the Beam exit opening created, which in each of the known Process can be used to pass a charge carrier beam from a lower to a higher pressure zone.

Es ist ein Gegenstand der Erfindung, Material in eine Gasatmosphäre mit einem Ladungsträgerstrahl zu bearbeiten und das Verstopfen der öffnung zu verhindern, durch welche der Ladungsträgerstrahl auf das Werkstück geführt wird, durch Vorsehung eines schützenden, umhüllenden inerten Gases.It is an object of the invention to place material in a gas atmosphere to process with a charge carrier beam and to prevent clogging of the opening through which the charge carrier beam is guided onto the workpiece by the provision of a protective, enveloping inert gas.

Diese und andere Merkmale der Erfindung werden durch die Zuführung eines Gasstromes erreicht, welche auf solcheThese and other features of the invention are achieved by the supply of a gas stream, which on such

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Weise quer durch die Strahlaustrittsöffnung gelenkt wird, dass die vom Auftreffpunkt des Strahles auf den Werkstück ausgosandten Dämpfe und 3 pr ils er von der öffnung weggeschwemmt werden und das Werkstück mit diesem Gas umhüllt wird.Way is directed across the beam exit opening that emitted from the point of impact of the beam on the workpiece Vapors and 3 pr ils are washed away from the opening and the workpiece is enveloped with this gas.

Die Erfindung und ihre sahireichen Vorteile werden in Verbindung mit der Zeichnung besser verständlich. In der Zeichnung ist der Elektronenstrahlgenerator mit 10 angegeben. Die Erfindung vermeidet die Notwendigkeit der Anwendung einer evakuierten arbeitskammar / ähnlich wie s.u. die Kammer ?A na^h ;?igu-; Idas obengenannten Carl ¹^eiss Patentes bei der bearbeitung von hatorialien mit einen intensiven Ladungsträgerstrahl. Wie es 'begannt iuK^! durch ti eic Jv'.vl iiaii.;^; Patent geneigt ist, enthält dor illokt.vonenstrahlgenerator 10 nicht gezeigte Mittel, '^ur Elektronenemission/ zur Bündelung des Elektronenstrahles und zur Beschleunigung des Strahles gegen das Werkstück. Der im Generator 10 gebildete Strahl ist bei 12 angegeben. Das Werkstück, welches s.B. aus 2v;ei ebenen Platten 'besteht, die durch eine Schweiosnaht miteinander verbunden v/erden sollen, ist bei 14 gezeigt. Das Werkstück 14 befindet sich im üblichen i'all in einer Ätraosphäre oder einen Bereich von verhältnisinässig hohem Druck» Pi. Der Elektronenstrahlgenerator 10 wird luftleer gemacht und auf niedrigem Druck P2 mittels nicht gezeigter Absaugungspumpen gehalten. Der in dem Generator 10 erzeugteThe invention and its rich advantages can be better understood in conjunction with the drawing. The electron beam generator is indicated by 10 in the drawing. The invention avoids the need to use an evacuated work chamber / similar to the chamber ? A na ^ h;? Igu-; The above-mentioned Carl ¹ ^ eiss patent in the processing of hatorialia with an intense beam of charge carriers. How it started iuK ^! by ti eic Jv'.vl iiaii.; ^; Patent inclined, the illokt.vonenstrahlgenerator 10 contains means, not shown, '^ for electron emission / for focusing the electron beam and for accelerating the beam against the workpiece. The beam formed in the generator 10 is indicated at 12. The workpiece, which consists of two flat plates which are to be connected to one another by a weld seam, is shown at 14. The workpiece 14 is usually located in an atraosphere or an area of relatively high pressure Pi. The electron beam generator 10 is evacuated and kept at low pressure P2 by means of suction pumps (not shown). The one generated in the generator 10

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Strahl wird auf das Werkstück durch eine magnetische Linse fokussiert, welche von einer veränderlichen nicht aufgezeichneten Stromquelle gespeist wird. Der Elektronenstrahl wird in dem Generator 10 nach untenhin beschleunigt und tritt aus diesem durch eine Öffnung Io aus.Beam is focused on the workpiece through a magnetic lens, which is not recorded by a changeable Power source is fed. The electron beam is accelerated downwards in the generator 10 and exits this through an opening Io.

OLschon nicht auf eine spezielle .?mwe?.idung begrenzt wird die Jrxindung in Zusammenhang mit den bisher: erfolgreicheren, bekannten Verfahren einen ungeschwächten Ladungsträgerstrahl aus einer evakuierten Kammer herauszuführen ohne dass ein :su grosser Verlust durch iSinfHessen des umgebenden Gases in die Kammer entsteht !beschrieben. Sin solches Vei~fahren ist Gegenstand unserer .Anmeldung Hr. U 10 2O9 7IIId/21h. Dieses bekannte Verfahren enthält ein zwischen dem v/erkstück 14 und dem 21ektrononstrahlgenerator 10 gelegenes Gehäuse oder uurahgangsweg, welche Kittel 20 vorsehen, die sich inwendig gegenüberliegende \;nr_öflachen 22 und 24 aufweisen. Die Flächen 22 und 24 sind gegenüber Oe.:: Strahlaire 12 so angeordnet,daas sie einen Gasleitungsr.;u::chlass 2b hierzu bilden. Das einlassende des Durchlasses 2j ist mit einer quelle von Abdichtgas 2S verbunden, die im üblichen Fall ein inertes Gas wie E.B. trockenes Stickstoffgas unter Druck P 3 enthält. Der Durchlass 2υ endet in einer Strahlkammer, welche eine Strahldurchlassöffnung 29 aufweist. Diese Öffnung fluchtet mit der oberhalb davon liegenden Öffnung 18.The finding in connection with the previously more successful, known methods is not limited to a special. described. Such driving is the subject of our registration Mr. U 10 2O9 7IIId / 21h. This known method includes a housing or walkway located between the front part 14 and the electron beam generator 10, which provide gowns 20 which have inner opposing open areas 22 and 24. The surfaces 22 and 24 are arranged opposite Oe. :: Strahlaire 12 in such a way that they form a gas duct 2b for this purpose. The inlet end of the passage 2j is connected to a source of sealing gas 2S, which in the usual case contains an inert gas such as EB dry nitrogen gas under pressure P 3. The passage 2½ ends in a blasting chamber which has a blasting passage opening 29. This opening is aligned with the opening 18 located above it.

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Zur sicheren Verhinderung eines Entweichens des Dichtgases von der Quelle 28 oder des Umgebungsgases, welches das Werkstück 14 umgibt, in den. Elektronenstrahlgenerator IO , ist es erforderlich, dass der Druck des Dichtgases im Bereich der Strahldurchgangsöffnung 29 in der Wand 22 ausserordentlich gering ist, oderTo reliably prevent the sealing gas from escaping from the source 28 or the ambient gas surrounding the workpiece 14 into the. Electron beam generator IO, it is necessary that the pressure of the sealing gas in the area of the jet passage opening 29 in the wall 22 is extremely low, or

dem Druck
es soll dieser Druck/gleich sein, welcher an der öffnung IB durch die Vakuumpumpe aufrecht erhalten wird. Zur Erreichung dieses niedrigen Druckes ist eine Düse vorgesehen, um die Geschwindig-.keit des Gasstromes zu erhöhen. Hierzu wirken die Wandflächen 22 und 24 zur Bildung von zusammenlaufenden und auseinanderlaufenden Abschnitten einer Überschalldüse mit einem daswischenliegenden Hals 30 zusammen. Der Druck der Quelle 28 ist ausreichend um einen Fluss mit Überschallgeschwindigkeit in dem auseinanderlaufenden Durchlas sv/egabschnitt unterhalb des Halses 30 quer durch die öffnung 29 zu ergeben. Wie es gezeigt ist, ist der Auslasstrom im allgemeinen quer zur Achse des Strahles 12 gerichtet, um eine gasförmige Dichtung durch die öffnung 29 zu ergeben und so das Entweichen von Gas in den Generator 10 zu verhindern.the pressure
this pressure should be the same as that which is maintained at the opening IB by the vacuum pump. To achieve this low pressure, a nozzle is provided to increase the speed of the gas flow. For this purpose, the wall surfaces 22 and 24 cooperate with a neck 30 lying between them to form converging and diverging sections of a supersonic nozzle. The pressure of the source 28 is sufficient to result in a flow at supersonic speed in the diverging passage sv / eg section below the neck 30 across the opening 29. As shown, the exhaust flow is directed generally transverse to the axis of the jet 12 to provide a gaseous seal through the opening 29 and thus prevent gas from escaping into the generator 10.

Infolge des Auftretens eines Stromes mit Überschallgeschwindigkeit verursacht durch die Ausdehnungsflächen oder den auseinanderlaufenden Teil der oberen Viand 22 unterhalb des Halses und der Druckoberfläche oder den weitgehend zusammenlaufenden Teil der unteren Wand 24 unterhalb des Halses 30 ist der Strom-As a result of the occurrence of a supersonic flow caused by the expansion areas or the diverging Part of the upper viand 22 below the neck and the pressure surface or the largely converging Part of the lower wall 24 below the neck 30 is the current

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querschnitt längs der Achse des Strahles 12 folgender: Ausdehnungswellen, welche von der Fläche 22 und insbesondere angrenzend der Oberlippe 32 der öffnung 29 ausgehen, ergeben einen ständig sinkenden Druckbereich in einer Stromrichtung nach unten oder von rechts nach links, wie es in der Zeichnung gezeigt ist. Der Ladungsträgerstrahl dringt so anfänglich in den Querstrom des Dichtgases in einen Bereich, der einen nicht wesentlich höheren Druck als P2 oder als den im Bereich der öffnung IB bestehenden Druck aufweist» der wie es vorangehend gesagt ist, mittels einer Vakuumpumpe auf einem verhältnismässig geringem DrucJc gehalten wird, aus den vorstehenden Gründen und da bekanntlich es für ein !■'liessmedium mit überschallgeschwindigkeit schwierig ist, starken Ausdehnungsflächen oder Ecken zu folgen, wie sie durch die Oberlippe 32 der öffnung 29 gebildet sindi tritt nur ein geringer Strom nach oben in den evakuierten Strahlgenerator auf. Fortschreitend nach unten längs der Achse 12 von der öffnung 29 sum Bereich der Strahlaustrittsöffnung 34, die sich durch die V/and und das in Strömungsrichtung untenliegende Glied 38 ergibt sov/ie mit der öffnung 29 fluchtet, nimmt der Druck im Mittel fortschreitend au. Ein verhältnismässig grosser Druck im Bereich der öffnung 34 ergibt sich durch den ständigen Anstieg des Druckes in dem Querstrom durch die Stosswellen, welche dort auftreten und sich von rechts nach links von dem Verbindungspunkt 36 an der Wand 24 durch die öffnung 34 ergeben. Der verhältnismässigcross-section along the axis of the beam 12 as follows: Expansion waves emanating from the surface 22 and in particular adjacent to the upper lip 32 of the opening 29 result in a constantly decreasing pressure range in a flow direction downwards or from right to left, as shown in the drawing . The charge carrier beam initially penetrates the cross-flow of the sealing gas into an area which has a pressure not significantly higher than P2 or the pressure existing in the area of the opening IB, which, as stated above, is kept at a relatively low pressure by means of a vacuum pump is, for the above reasons and because it is known that it is difficult for a let medium at supersonic speed to follow strong expansion surfaces or corners, such as those formed by the upper lip 32 of the opening 29, only a small current flows upwards into the evacuated jet generator on. Progressively downwards along the axis 12 from the opening 29 to the area of the jet outlet opening 34, which is created by the V / and and the element 38 lying below in the direction of flow so that it is aligned with the opening 29, the pressure increases progressively on average. A relatively high pressure in the area of the opening 34 results from the constant increase in pressure in the cross-flow caused by the shock waves that occur there and result from the connection point 36 on the wall 24 through the opening 34 from right to left. The proportionately

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hohe Druck im bereich der öffnung 34 infolge dieser Druckwellen verhütet, dass Gas von ausserhalb dos Gehäuses nach oben durch die öffnung 34 strömt.high pressure in the area of the opening 34 as a result of these pressure waves prevents gas from outside the housing from flowing upwards the opening 34 flows.

Bei dem Bearbeiten von Materialien mit einem intensiven Ladungsträgerstrahl fand man, dass die öffnung, durch welche der Ladungsträgerstrahl in den relativ hohen Druckbereich abtritt, dayu neigt, durch die vom bearbeiteten Material ausgehenden Dämpfe und Teilchen au verstopfen. Dies ;:eigt α ich ebenfalls bei dem mit einer Selbstreinigungswirkung· behafteten Querstromöffnungssystem. Ls war deshalb notwendig Mittel zu ersinnen, welche Verschmutzung der Strahlaustrittsoffnung beheben und Bruchstückehen von der Austrittsöffnung 34 ablenken ohne dabei die Möglichkeit eines Zusammenstosses zwischen den Elektronen des Strahles und den Gasmolekulen erheblich zu steigern, oder im Falle des Querstromöffnungssystems den Expansions- oderWhen processing materials with an intense charge carrier beam, it was found that the opening through which the charge carrier beam exits into the relatively high pressure range tends to become blocked by the vapors and particles emanating from the processed material. This also applies to the cross-flow opening system which has a self-cleaning effect. It was therefore necessary to devise means to remove the contamination of the jet outlet opening and divert fragments from the outlet opening 34 without significantly increasing the possibility of a collision between the electrons of the beam and the gas molecules, or in the case of the cross-flow opening system, the expansion or expansion

im Dichtgasstrom Kompressionswellenverlauf/nachteilig zu beeinflussen. Erfindungsgemäss wird vorhergehendes durch die Anwendung eines 'zweiten Gasstromes erreicht, welcher unter einem Winkel zum Elektronenstrahl fliesst. Dieser Hilfsgasstrom wird in einem Winkel zur Strahlachse auf einen Punkt zwischen der Strahlaustrittsoffnung 34 und dem Werkstück 14 gerichtet und lenkt die vom Werkstück ausgehenden Dämpfe und Teilchen von der genannten öffnung weg.in the sealing gas flow to influence the compression wave course / disadvantageous. According to the invention is achieved above by the use of a 'second gas stream which is at an angle to the electron beam flows. This auxiliary gas flow is at an angle to Beam axis to a point between the beam exit opening 34 and the workpiece 14 and directs the vapors and particles emanating from the workpiece away from the opening mentioned.

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- li -- li -

Zur Erzeugung dieses Hilfsgasstromflusses wird ein zweites Gehäuse oder durch die Mittel 40 bestimmter Durchgang zwischen dem Gehäuse 20 und dem Werkstück angebracht. Die den Durchgang 40 bildende Mittel begreifen zwei inwendig gegenüberliegende Wandflächen 42 und 44, welche den Gasleitungsdurchlass 4o bilden. Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung, laufen die Wandflächen 42 und 44 zusammen um ehe Düse mit dem Hals -4 G zu bilden. Beim Durchfliessen eines Gases von genügend hohem Drude in dem Durchgang 46, wird unterhalb dos Halses 48 ein iJtrom mit Überschallgeschwindigkeit entstehen. Das einlassende des Durchlasses 46 ist durch einen Schlauch oder ein Rohr 50 mit einer Gasquelle verbunden, welche normalerweise einen unter Druck gehaltenen inerten Gas enthält. Die Leitung 50 kann an die yue.lle 28 oder eine getrennte Gasquelle angeschlossen sein. Die ßesten Resultate stellen sich ein, wenn beide Gase sowohl in der Querstromo'f fnung als auch in den Hilfstromleitungen aus leicht wiegenden inerten Gasen bestehen. Die Benutzung eines inerten Gases in der Hilfstromzuleitung ergibt die oben beschriebene vorteilhafte Einhüllung des Werkstückes in eine schützende Atmosphäre. Jedoch ist die .benutzung desselben Gases nicht erforderlich. Im Sinne der Wirtschaftlichkeit kann trockenes Stickstoffgas durch das Querstromoffnungssystem gepumpt und in Flussrichtung gesehen unterhalb der Strahlachse wieder aufgefangen und gesammeltTo generate this auxiliary gas flow, a second Housing or through the means 40 determined passage between the housing 20 and the workpiece attached. The the passage Means forming 40 include two inwardly opposite wall surfaces 42 and 44 which define the gas line passage 4o form. According to one embodiment of the invention, the panels 42 and 44 converge to form the nozzle with the neck -4G. When a gas flows through from sufficiently high pressure in the passage 46 becomes below dos Halses 48 an iJtrom with supersonic speed arise. The inlet end of the passage 46 is through a hose or a pipe 50 connected to a gas source, which is normally contains a pressurized inert gas. Line 50 can be connected to yue.lle 28 or a separate gas source be connected. The best results are achieved if both gases are in the cross-flow opening as well as in the auxiliary power lines consist of slightly swaying inert gases. The use of an inert gas in the auxiliary power supply results in the above-described advantageous encasing of the workpiece in a protective atmosphere. However that is . Use of the same gas is not required. In the sense of the Economics can be achieved through the dry nitrogen gas Cross-flow opening system pumped and seen in the direction of flow caught and collected again below the beam axis

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werden, während Luft durch den Durchlass 46 gepumpt wird.while air is pumped through passage 46.

Der durch die Öffnung 34 austretende Ladungsträgerstrahl geht nacheinander durch die aufeinander ausgerichteten Öffnungen 52 und 54 in den oberen und unteren Wänden der den Durchgang 40 bildenden Mittel. Auf diese Weise geht der Ladungsträgerstrahl durch den Strom des Hilfsgases. Wegen des relativ hohen Druckes in der Querstromöffnung bei der Öffnung 34, wird kein sich im Hilfstrom befindlichen Gas längs der Strahlachse aufwärts fliessen. Sollte das Hilfsgas Überschallgeschwindigkeit in der zwischen den Öffnungen 52 und 54 liegenden Zone besitzen, so dient die Unfähigkeit des Gases der durch die Oberlippe der Öffnung 52 gebildeten scharfen Ausdehnungsfläche zu folgen, den Verlust dieses Gases aufwärts der Strahlachse zu verhindern. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft falls die vorliegende Erfindung auf bekannte Konstruktionen wie s.B. Druckaufbausysteme angewandt wird, einen Strom mit Überschallgeschwindigkeit des Hilfsgases zu bewirken. Es sei jedoch hervorgehoben, dass dievorliegende Erfindung sich s.B. in Verbindung mit dem sogenannten Querstromöffnungssystem als anwendbar und nützlich erweist, falls das Hilfsgas Unterschallgeschwindigkeit hat. Zum Erreichen der Unterschallgeschwindigkeit sind die Wandflächen 42 und 44 gerade gezogen, um die Einengung 40 zu beseitigen.The charge carrier beam exiting through the opening 34 passes sequentially through aligned openings 52 and 54 in the top and bottom walls of the passageway 40 educational resources. In this way, the charge carrier beam passes through the flow of the auxiliary gas. Because of the Relatively high pressure in the cross-flow opening at opening 34, no gas in the auxiliary flow is along the Flow axis upwards. The auxiliary gas should be supersonic in the range between openings 52 and 54 Zone, the inability of the gas to follow the sharp expanse formed by the upper lip of the opening 52 serves to cause the loss of this gas upwards To prevent beam axis. For this reason, it is advantageous if the present invention is based on known constructions like s.B. Pressure build-up systems are used to effect a supersonic flow of the auxiliary gas. However, it should be emphasized that the present invention s.B. in connection with the so-called cross-flow opening system proves applicable and useful if the auxiliary gas is subsonic. To achieve subsonic speed the panels 42 and 44 are drawn straight to remove the constriction 40.

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Die in Otromrichtung gesehene untere Lippe 5ö der öffnung 54 ragt in den Strom des Ililfsgases hervor und funktioniert somit als Stromauf teil er. VJie bekannt, wird durch diesen Stromaufteiler eine nach aussen gerichtete Ablenkung des im Durchlass 46 strömenden Gases durch die öffnung 54 bewirkt. Das heisst, die Lippe 5ό ruft eine Stockung im Wege des Hilfsgases hervor und indem sie die ivusgangsöffnung 54 bestimmt, lenkt sie ebenfalls einen Teil des Gasstromes von seinem normalen Strömungspfad ab. Indem man den Angriffswinkel und die Lage der Lippe 5ö ändert, können die Menge und die '.lichtung des nach aussen strömenden Gases eingestellt und gesteuert werden. D s Hilfsgas, welches durch die öffnung 54 nacaatssen strömt, indem es sich in einem Winkel sum Elektronenstrahl fortbewegt, lenkt die vom VJerkstück ausgehenden Dämpfe und Teilchen ab und verhindert sie so am Verstopfen der öffnungen 34, 52 und 54.The lower lip 50 of the opening seen in the direction of the otrom 54 protrudes into the auxiliary gas flow and thus functions as an upstream part. As is known, this flow divider creates an outward deflection of the in the passage 46 caused gas flowing through the opening 54. That is, the lip 5ό causes a blockage in the way of the auxiliary gas and by defining exit port 54, it also diverts some of the gas flow from its normal Flow path. By changing the angle of attack and the position of the lip, the amount and clearing of the outwardly flowing gas can be adjusted and controlled. The auxiliary gas, which flows through the opening 54 nacaatssen, by moving at an angle to the electron beam, it deflects the vapors and particles emanating from the workpiece and prevents them from clogging the openings 34, 52 and 54.

Wie aus der vorangehenden Beschreibung ersichtlich, gestattet die Erfindung, die Bearbeitung von Materialien in einer Gasatmosphäre mit einem Ladungsträgerstrahl und löst hierbei gleichzeitig des Problem des Verstopfens der Strahlaustrittsöffnung. Obwohl nur eine bevorzugte Ausfuhrungsform geneigt und beschrieben wurde so sind jedoch verschiedene Abwandlungen und Austauschungen möglich ohne von dem Erfindungsgedanken abzuweichen. So kann z.B. der Winkel under dem das HilfsgasAs can be seen from the foregoing description, the invention allows the processing of materials in a gas atmosphere with a charge carrier beam and at the same time solves the problem of the clogging of the beam outlet opening. Although only a preferred embodiment inclined and has been described, however, various modifications and exchanges are possible without departing from the concept of the invention to deviate. For example, the angle under which the auxiliary gas

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die Strahlachse durchquert von horizontaler, v/ie vorher gezeigt, bis zur fast vertikalen Lage geändert v/erden. Ebenso kann gleichzeitig mehr als eine Düse gebraucht werden, umso ;:,U. das Hilfsgas von mehr als einer dichtung durch die Strahlachse einzuführen. Weiterhin kann das Stromaufteilerelement verschiedene Formen annehmen und im Innern der Hilfsgasdurchlassungsleitung an verschiedene Stellen angebracht v/erden» Gleichfalls kann der Querschnitt des Hilfsgasdurchlasses rund oder viereckig sein. Wie vorher vermerkt, kann die Erfindung bei jeder Vorrichtung benutzt v/erden, die in einer niedrigen Druckzone einen Ladungsträgerstrahl erzeugt und einen solchen Strahl zur Bearbeitung eines in einer relativ höheren Drucksone gelegenen Materials benutzt.the beam axis traversed from the horizontal, as previously shown, to the almost vertical position, changed to ground. Likewise, more than one nozzle can be used at the same time, so ;:, U. introduce the auxiliary gas from more than one seal through the jet axis. Furthermore, the flow divider element can assume different shapes and be attached at different points inside the auxiliary gas passage line. Likewise, the cross section of the auxiliary gas passage can be round or square. As previously noted, the invention can be used with any apparatus which generates a charge carrier beam in a low pressure zone and uses such a beam to process a material located in a relatively higher pressure zone.

BABA

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Claims

1. Device for processing materials by means of a charge carrier beam, which is generated in an evacuated or under low pressure beam generator and occurs through an opening of the jet generator to an outside of the jet generator in a gas atmosphere higher pressure arranged workpiece, characterized in that adjoining the jet generator means are provided which allow the passage of the beam but the penetration of the ambient gas from the processing room in the jet generator and that means are still available which are sent from the point of impact of the jet Particles and vapors from the beam axis and the exit opening steer away.

2. Device for processing materials according to claim 1, characterized in that the deflection The means provided by the particles and vapors cause a gas flow which is close, axis and at an angle to it flows out.

3. Device for processing materials according to claim 2, characterized in that the deflection the means provided for the particles and vapors having a pressurized gas source and a gas conduit passage inside and comprehend outside converging walls to form a nozzle near the jet axis.

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4. Device sum processing of materials according to claim 3 characterized in that the nozzle is designed / that the gas stream flows at ultrasonic speed.

5. Device for processing materials according to claim 2 to 4, characterized in that the deflection of the Particles and vapors provided means are designed so that a partial flow of the gas is directed against the workpiece.

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